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德研发出大小、形状和活动性与白细胞相似的微型机器人

2020-05-25 15:24:56来源:科技日报

近日,德国马克斯·普朗克智能系统研究所(MPI-IS)成功开发出大小、形状和活动性与白细胞相似的微型机器人,并在磁场的导航控制下实现了微型机器人在模拟血管中的快速逆行,为将来通过微型机器人将药物运送到患者病灶深处铺平了道路。

在过去的二十年中,由于制造技术,材料,控制和成像等方面的重大进步,微机械研究领域得到了长足发展。然而,当前的微型机器人大多只能到达可以观察到或相对容易接近的组织(例如胃肠道),以及缓慢流动的环境。如何让微型机器人克服粘滞力,到达体内深处,并在人体复杂环境中实现精准操控,是围绕靶向药物精准输送研究面临的重大挑战。

现在,德国马克斯·普朗克智能系统研究所的科学家以白细胞为模型,成功开发了一款微型机器人,其大小,形状和活动性与白细胞相似。在实验室模拟血管的环境下,这种微型机器人可以携带抗癌药物,在人工操纵下较快地进行有目的地运动。相关成果发表在近日的《科学机器人》杂志上。

白细胞是一类无色、球形、有核的血细胞。它是免疫系统的守护者,也是科学家的灵感来源,因为白细胞是血液中唯一有活跃移动能力的细胞。它能够从毛细血管内皮细胞的间隙中渗出,进入血管周围组织内,并在其中游走。马克斯·普朗克智能系统研究所的科学家认真研究这一现象,希望利用这一仿生策略来创建一个靶向药物精准输送的新平台。

科学家们为此研发了一款直径约八微米的微型机器人。这种微型机器人由微小的玻璃颗粒组成,镍金材料制成的磁性纳米膜覆盖在球形微型机器人的一侧,可以发现癌细胞的特殊分子作为癌症药物附着在另一侧。在实验室模拟血管的环境中,研究人员使用显微镜对机器人进行成像,然后使用电磁线圈对其进行控制,成功操纵微型机器人快速运动。

论文第一作者尤努斯·阿拉潘(Yunus Alapan)博士说:“借助磁场,我们的微型机器人可以在导航控制下逆流穿过模拟血管,由于血液流动和密集的细胞环境,这是一个挑战。此前还没有类似微型机器人能够承受这样的流体。但是我们做到了!此外,我们的机器人还可以独立识别它们感兴趣的细胞,例如癌细胞。它们之所以可以这样是因为我们用细胞特异性抗体包裹着它们。这样,人们可以在运动中(精准地)释放药物分子。”

在实验室中,微型机器人的运动速度可达每秒600微米。这大约是其体长的76倍,这使其成为这种大小的磁性微型机器人中速度最快的。项目负责人,马克斯·普朗克智能系统研究所物理智能部主任梅丁·西蒂(Metin Sitti)教授表示,“我们的愿景是创建用于微创及靶向药物输送的下一代运输工具,它们可以(像白细胞一样穿过血管)进一步渗透到体内,使难以到达的区域更容易被接近。”

不过,目前这种微型机器人还没有在人体中进行过测试。参与研究的博士生乌古尔·博祖尤克(Ugur Bozuyuk)说:“在医院中,当前成像方法的分辨率还不够高,无法对人体中的单个微型机器人进行成像。此外,考虑到微型机器人(大约10微米)和器官组织(数千微米)之间的大小差异,单个微型机器人可以携带的载药量显然也不够。人们必须能够在一个群中一起操纵多个微型机器人,以获得足够的效果。我们离此还有很长的路要走,这仅仅是个开始。”(记者 李山)

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